GPS Nedir? |
Yapısı ve Uygulamaları

GPS sisteminden çok uzun zaman önce araştırmacılar, yolcuların kaybolmaması için çalışmalar yapmaktaydı. Daha sonra yolcular, ayrıntılı hazırlanmış haritalarla gittikleri yolları işaretlemeye ve rotalarını izlemeye başladılar. Günümüzde GPS sistemi ile artık kaybolmuyoruz ve gittiğimiz yolları işaretlememize gerek kalmıyor. İki bölüm halinde yayınlayacağımız bu dizinin ilk bölümünde GPS sisteminin yapısını, çalışmasını ve uygulamalarını inceleyeceğiz.

A- A+

09.07.2015 tarihli yazı 58970 kez okunmuştur.

GPS Haberleşme Navigasyon Uydu İletişim Anten

GPS Sisteminin Başlangıcı

GPS sisteminin temelleri, ABD ordusunda başlatılan ve dünya etrafında dönen 24 uydunun ortak çalışmasına dayalı navigasyon sistemleri ile atılmıştır. GPS sistemi NAVSTAR (Navigation System for Timing and Ranging – Zaman ve Mesafe Tayini için Navigasyon Sistemi) olarak da bilinir.

GPS sistemi dünyanın her yerinde ve tüm hava koşullarında çalışır. Kullanıcıların yerlerini belirlemeye ve rotalarını izlemelerine yardımcı olur. GPS sistemi, GPS alıcısı olan herkes tarafından kullanılabilir.

Şekil 1: GPS sisteminin temellerini, uyduların ortak çalışmalarına dayalı navigasyon sistemleri oluşturur.

►İlginizi Çekebilir: GPS Nedir? | Mevcut Çalışmalar ve Problemler

GPS'in Tarihçesi

GPS ilk olarak 1978 yılında ABD Savunma Bakanlığı'na bağlı olarak yapılan askeri çalışmalar ile ortaya çıktı. İlk ismi 'NAVSTAR' olan sistem, ilk uydunun yörüngeye yerleştirilmesinde kullanıldı.

Bugün, dünya etrafında yörüngeye oturmuş 30 adet GPS uydusu, 20.200 kilometre mesafede dönüyor. Bu uydular, GPS'lerden gelen sinyalleri algılayarak GPS'in nerede olduğunu belirlemeye çalışıyor. Günümüzde GPS sistemi herkes tarafından ve hiçbir ücret ödenmen kullanılabiliyor.

GPS sisteminin ilk örnekleri, dünya üzerinde yayılmış radyo istasyonlarının yerlerini belirlemek için kullanılmıştır. İlk önce master olarak isimlendirilen ana radyo istasyonu bir sinyal gönderir. Köle adı verilen ve dünyanon herhangi bir tarafında bulunan ikincil bir radyo istasyonu da bu sinyale cevap gönderir. Köle istasyonlar bu sinyalleri bir gecikme ile yayınlarlar. Alıcı ise bu gecikmeyi hesaplayarak master ve köle istasyonlar arasındaki konumu, bir referans noktasına göre hesaplar. Bu referans noktası köle istasyonun bulunduğu konum olabilir.

Şeki 2: Navstar Navigator

Bu yöntemde sabit bir radyo istasyonunun bulunması zorunluluğu, askeri uygulamalar için bir zorunluluktu. Çünkü askeri uygulamalar, hareketlilik (mobilite) gerektiriyordu. Bu sebeple 1960 yıllarında ilk navigasyon uydusu yapıldı. 'Transit' adı verilen bu uydu sistemi ile uydu tarafından yayınlanan sinyalin frekansı üzerindeki doppler etkisi hesaplanıyor ve bu sayede alıcının konumu belirleniyor ve uyduya en yakın olan alıcının konumu, uydunun konumuna göre bulunuyordu.

Modern uydular daha farklı şekilde çalışır. Bir uydu tarafından yayınlanan sinyal, uydunun konum bilgisini ve yayınlanan sinyalin iletim süresi bilgisini de içerir. Bu önemli bilgiler sayesinde yerdeki birimin konumu kesin olarak belirlenebilir. Farklı uydulardan yerdeki birime gelen sinyaller kesişir ve alıcının kesin konumu bu sayede belirlenebilir.

GPS Uygulamaları

GPS tekniği, askeri çalışmalar amacı ile başlatılmıştır. 1980'de ABD hükümeti, bu sistemin siviller için de kullanılması kararı aldı. Bu sayede GPS sistemi bilimsel ve teknik çalışmalarda, ticari uygulamalarda ve izleme sistemlerinde çok kullanılan bir yöntem haline geldi. GPS sistemi, sinyal akışının zor ya da imkansız olduğu su altı, mağara içi, yer altı gibi yerlerin haricinde, dünyanın her tarafında kullanılabilir.

► Sivil Uygulamalar;

► Navigasyon; Hız ölçümlerini kesin olarak belirlemek için kullanılır.
► Geo işaretleme; Harita üzerinde koordinatları işaretleme ve fotoğraf gibi görseller eklenebilir.
► Yüzey Ölçümü; Haritacılar, yüzeylerin ölçümünü yapabilir ve mülklerin sınırlarını belirleyebilir.
► Harita yapımı; Sivil veya askeri ihtiyaçlar için harita yapılmasına olanak sağlar.
► Jeoloji; Dünyanın yer hareketleri incelenebilir ve depremler analiz edilebilir.
► İzleme; Araçlar, insanlar veya evcil hayvanlar GPS sistemi ile izlenebilir ve takip edilebilir.

Şekil 3: GPS sistemleri askeri alanda keşif, takip, arama kurtarma, güdümlenme gibi uygulamalarda kullanılabilir.

►İlginizi Çekebilir: Zaman Senkronizasyonu

► Askeri Uygulamalar;

► Navigasyon; Askerler karanlık ve bilinmeyen yerlerdeki nesneleri GPS yardımı ile bulabilirler.
► Arama ve kurtarma; Açık ve geniş arazilerde arama çalışmaları daha kolay yapılır. Örneğin düşen bir pilotun yeri kesin olarak belirlenebilir.
► Keşif: Devriye ve keşif görevleri rahatlıkla yapılabilir.
► Hedef İzleme: GPS sistemi le çalışan hedef takip sistemi ile havadaki ve yerdeki potansiyel tehditler izlenebilir.

► Atış ve güdüm sistemleri; Silah sistemlerinin tam olarak güdümlenmesi ve hedeflerin tam sabetle vurulması için GPS kullanılır.

GPS'in Yapısı

GPS üç kısımdan oluşur; uydu segmenti, kullanıcı segmenti ve kontrol segmenti. GPS yapısı aşağıdaki diyagramda verilmiştir.

Şekil 4: GPS segment diyagramı

► Uydu Segmenti: Uydular, GPS'in kalbidir. Vericiden gelen sinyalleri toplar ve nesnelerin yer üzerindeki konumlarını yayınlar. Eğer navigasyon cihazı ile binalara, dağlık, engebeli bölgelere veya kalabalık yerlere girerseniz sinyal zayıflar. Sinyal zayıfladığında, net bir sinyal alınana kadar hareket edilmesi gerekir. Konumun hesaplanması için dört tane uydunun hedefe kilitlenmesi gerekir.

► Kullanıcı Segmenti: Bu segment sivil ve askeri kullanıcıları ifade eder. Sinyalleri algılamaya yarayan bir dedektör ve sinyali işlemeye yarayan bir işlemci içerir. Sinyalin gücü, bir ampuylün harcadığı gücün katrilyonda birinden daha azdır.

► Kontrol Segmenti: Tüm sistemin verimli bir şekilde çalışmasını sağlar. Sinyallerin anlık olarak güncellenmesi ve uyduların belirlenen yörüngelerinde kalması için kontrol sistemi hayati önem taşımaktadır.

GPS Alıcıların Çeşitleri

Farklı doğruluk ve hassasiyet seviyelerine sahip olmak üzere, üç farklı GPS alıcı istemi vardır.

► Adi Edinimli Kod Alıcısı: (Coarse Acquisition (C/A) code receivers) Bu tür alıcılar 1 saniyelik işlem süresi içinde 1-5 metre arasında konum doğruluğu sağlar. Eğer işlem süresi uzarsa konum doğruluğu 1-3 metre arasına düşebilir.

► Taşıyıcı Faz Alcıları (Carrier Phase receivers): Bu alıcılar 10-30 metre arasında konum doğruluğu sağlar. Uydu ile alıcı arasındaki mesafe, bu ikisi arasındaki sinyal ölçülerek hesaplanır. İşlem süresi yükselirse, alıcının tam konumu daha büyük doğrulukla belirlenebilir.

► Çift Frekans Alıcıları (Dual Frequency receivers): Bu alıcılar, santimetreden daha hassas konum doğruluğu sağlayabilir. Bu alıcılar, uydudan gelen sinyalleri iki farklı frekansta algılar ve kesin konumu çok büyük bir doğrulukla belirler.

Konum belirleme işlemlerinde tüm alıcılar, diferansiyel düzeltme işlemi kullanırlar. Bu yöntem GPS'in konumunun, referans bir noktaya göre karşılaştırılması yöntemidir.

Şekil 5: GPS sistemleri konum belirleme amaçlı kullanılabilir.

GPS Nasıl Çalışır?

GPS uyduları dünya üzerindeki yörüngelerinde, dünyayı bir günde iki kez dolaşacak şekilde dönerler. Bu uydular dünyaya sürekli sinyal gönderirler. Bu sinyaller GPS alıcıları tarafından algılanır. Böylece GPS kullanıcısının dünya üzerindeki konumu belirlenir. GPS alıcısı, uydunun yayınladığı sinyalin ne kadar sürede kendisine ulaştığını hesaplayarak aradaki mesafeyi belirler. Sinyalin yayınlanması ve algılanması arasında geçen süre ile GPS kullanıcısının uyduya olan uzaklığı belirlenir.

2 boyutta pozisyonu belirlemek ve izlenen rotayı taki etmek için en az üç uydudan gelen sinyallerin GPS tarafından algılanması gerekir. 3 boyutta konum belirlemek için (enlem, boylam ve yükseklik) GPS alıcının dört veya daha fazla uydunun sinyalini alması gerekir.

Kullanıcının konumunun belirlenmesi dışında GPS alıcı seyahat hızı, alınan yol, hedefe olan uzaklık, gündoğumu ve gün batımı süreleri, tüm tolculuk süresi, hedefe vrmak için kalan zaman gibi bilgileri de verebilir. Bu bilgiler bir LCD ekranı ile kullanıcıya aktarılır.